击穿电压强度高(10倍于Si)
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摘要：随着电⼒力电⼦子变换系统对于效率和体积提出更⾼高的要求，SiC（碳化
硅）将会是越来越合适的半导体器件。尤其针对光伏逆变器和UPS应⽤用，SiC
器件是实现其⾼高功率密度的⼀一种⾮非常有效的⼿手段。本⽂文主要介绍SiC技术优
点、缺点及⺫⽬目前应⽤用层⾯面的⼀一些瓶颈。
1.引⾔言
由于SiC相对于Si的⼀一些独特性，对于SiC技术的研究，可以追溯到上世界
70年代。
简单来说，SiC主要在以下3个⽅方⾯面具有明显的优势:
• 击穿电压强度⾼高（10倍于Si）
• 更宽的能带隙（3倍于Si）
• 热导率⾼高（3倍于Si）
这些特性使得SiC器件更适合应⽤用在⾼高功率密度、⾼高开关频率的场合。当然，
这些特性也使得⼤大规模⽣生产⾯面临⼀一些障碍，直到2000年初单晶SiC晶⽚片出现才
开始逐步量产。⺫⽬目前标准的是4英⼨寸晶⽚片，但是接下来6英⼨寸晶⽚片也要诞⽣生，这
会导致成本有显着的下降。⽽而相⽐比之下，当今12英⼨寸的Si晶⽚片已经很普遍，如
果预测没有问题的话，接下来4到5年的时间18英⼨寸的Si晶⽚片也会出现。
Vincotech公司⼗十⼏几年前就已经采⽤用SiC⼆二极管来开发功率模块。SiC⼆二极管由
于其卓越的反向恢复特性，可以有效的减⼩小它本⾝身的开关损耗和IGBT的开关损
耗。SiC肖特基⼆二极管虽然已经应⽤用了很多年，但是还需要进⼀一步改善价格来
获得更⼲⼴广阔的市场。
最近⼏几年的主要研究和应⽤用是基于SiC的有源开关器件，⽐比如SiC MOSFET和
SiC JFET. 从⺫⽬目前电压等级4Kv以下的应⽤用来看，SiC MOSET有打败SiC JFET
的势头。SiC MOSFET有着卓越的开关损耗和超⼩小的导通损耗。SiC MOSFET
⼤大批量商业化的最⼤大障碍⺫⽬目前还是由于其居⾼高不下的价格。然⽽而我们还是要综
合评估整个系统成本，因为SiC MOSFET还是带来系统整个体积和其他成本的
下降。⽂文本会介绍⼀一些SiC和Si在效率、损耗⽅方⾯面的对⽐比来证明SiC在⾼高频应⽤用
上的优势。
2.采⽤用boost模型，对⽐比分析SiC和Si器件的损耗
我们来看⼀一下boost电路。像光伏逆变器的前级升压就会⽤用到这类电路。下图1
是典型的boost电路拓扑。
图1： boost电路拓扑
我们以光伏应⽤用中最典型的⼯工况为例，输⼊入350V,输出700V。输⼊入电流和开关
频率暂时不定。以下的仿真对⽐比分析会采⽤用Vincotech FlowISE仿真⼯工具，这样
可以更快的对不同电流，不同频率的⼯工况做出对⽐比分析。这些对⽐比分析会采⽤用
以下⼏几款型号来代表不同的芯⽚片组合：
-IGBT + Si ⼆二极管
o flowBOOST 0 (型号：V23990-P629-F72-PM) 1200V/40A 超快IGBT+30A/
1200V STEALTHTH ⼆二极管
-IGBT + SiC⼆二极管
oflowBOOST 0 ( 型号：V23990-P629-F62-PM) 1200V/40A 超IGBT+3*1200V/
5A SiC⼆二极管
-SiC MOSFET+ SiC⼆二极管
o flowBOOST 0 SiC (型号：10-PZ12B2A045MR-M330L18Y) 45 mΩ/1200 V
SiC MOSFET + 4x10 A/1200 V SiC ⼆二极管
接下来我们来看⼀一下它们的效率对⽐比。⾸首先把Si⼆二极管改成SiC⼆二极管。图2是
两者不同功率时效率的对⽐比曲线。当开关频率⼤大于4Khz时，SiC⼆二极管对效率
的改善就显现出来。当开关频率16Khz，电流5A时，损耗下降50%，由1.6%下
降到0.8%。如果进⼀一步把IGBT也改成SiC MOSFET的话，损耗进⼀一步下降
37%到0.5%。如图3. 当开关频率进⼀一步提⾼高，⼤大于32Khz时，SiC MOSFET的
效果将会更加明显。保持输⼊入电流不变，进⼀一步提升开关频率由16khz到
64Khz，损耗相对下降35%。从这⾥里可以看出，SiC MOSFET⾮非常适合⾼高频化
的应⽤用，甚⾄至是在⼤大电流输⼊入的时候，只要能保证有较好的散热系统。以上的
这些仿真是基于散热器温度80度。Si器件由于其⾃自⾝身的限制，在⾼高频、⾼高效的
应⽤用中会有很多局限，⽽而SiC不同，正是其⾃自⾝身的属性，刚好可以满⾜足更⾼高效
率、更⾼高开关频率的应⽤用。
图2：IGBT+ Si 或者SiC⼆二极管，4到16Khz时不同电流的效率对⽐比曲线
图3：IGBT+ SiC⼆二极管和SiC MOSFET+ SiC⼆二极管，16到64Khz，不同电流
的效率对⽐比曲线
下⾯面的⼏几幅图从输出电流能⼒力的⾓角度来说明SiC器件相对Si器件的优势。例
如，假设50W总损耗，开关频率16Khz，如图4所⽰示，IGBT+SiC⼆二极管的组
合，输出电流能⼒力⽐比IGBT+Si⼆二极管的组合⼤大85%。
保持SiC⼆二极管不变，对⽐比IGBT和SiC MOSFET的性能。从图5可以看出，SiC
MOSFET+SiC⼆二极管的组合输出电流能⼒力⽐比IGBT+SiC⼆二极管要⼤大50%。输出
能⼒力的提升，主要的根源在于不同的芯⽚片配置，可以有效的减⼩小器件的损耗。
图4：IGBT+Si⼆二极管或者SiC⼆二极管，4到16Khz时输出电流能⼒力和损耗的关系
曲线
图5：IGBT+SiC⼆二极管或者SiC MOSFET+SiC⼆二极管，16到64Khz时输出电流
能⼒力和损耗的关系曲线
另外⼀一个有趣的对⽐比是基于损耗和开关频率。如图6， IGBT+Si⼆二极管的损
耗，随着频率的改变损耗变化幅度⾮非常⼤大，⽽而IGBT+SiC⼆二极管的损耗，随着
频率的变化改变不是很⼤大。尤其是在16K到48K，通过芯⽚片电流为5A时，其总
损耗⼏几乎是线性的，增加幅度较⼩小。那么如果把IGBT换成SiC MOSFET会是什
么情况呢？
如图7，当改⽤用SiC MOSFET，线性的频率范围⼏几乎扩⼤大了⼀一倍，从16到
100Khz范围内，损耗都是线性的，变化很⼩小。这就是为什么SiC
MOSFET+SiC ⼆二极管的组合可以⼯工作在⾼高频的原因。⽽而我们致⼒力于⾼高频化的
重要原因就是为了减⼩小整个系统的体积和成本。经过最后的估算，纯SiC器件
⽅方案（SiC MOSFET+SiC⼆二极管）⽐比Si器件⽅方案（IGBT+Si⼆二极管）损耗下降
80%，⾮非常有助于帮助⼯工程师实现⾼高效、⾼高功率密度的产品设计。
图6：IGBT+Si⼆二极管或者SiC⼆二极管，不同电流条件下，开关频率和损耗的关
系
图7：IGBT+SiC⼆二极管和SiC MOSFET+SiC⼆二极管，不同电流条件下，开关频
率和损耗的关系
1.SiC器件⾯面临的挑战
在如今，成本是新产品设计背后的主要考量因素之⼀一。⺫⽬目前SiC器件⾼高昂的成
本仍是限制其赢得很多市场份额的最主要原因。但是随着⽤用量的增加和新⼀一代
SiC技术的应⽤用，这个价格障碍正逐渐被削弱。例如，600V SiC⼆二极管的价格
从2011年到现在，已经下降了⼤大约35%到45%。⼈人们预计在接下来⼏几年⾥里还会
再下降⼤大约10%。1200V 80mOHM的SiC MOSFET价格，预计在未来的三到
四年⾥里下降50%。这样的价格⽔水准，势必会带来更为⼲⼴广阔的应⽤用空间。
另外⼀一个是技术层⾯面的挑战。组装和绑定线⼯工艺必须适应SiC器件⾼高功率密
度，⾼高温的性能。SiC器件在保持散热器温度不变的条件下，可以⼯工作在⾮非常
⾼高的电流密度和温度条件下。这会使得绑定线和焊接的结合点获得更⾼高的热应
⼒力，传统的绑定线和⼯工艺会影响功率模块的寿命。因此组装和绑定⼯工艺需要改
进，⽐比如采⽤用Sintering（银烧结⼯工艺），优化绑定线技术，采⽤用铜编织带或者
⼤大⾯面积的银箔接触来克服⾼高温的问题。另外，SiC芯⽚片的缺陷密度也远⼤大于
Si，这也是为什么常⽤用的SiC芯⽚片⺫⽬目前的电流能⼒力都是5到10A。当然当今最⼤大
的电流能⼒力也能做到50A，但是成本会很贵。
2.总结
本⽂文主要介绍了功率模块中SiC⼆二极管，SiC MOSFET对于损耗下降，效
率提升的作⽤用。这对⼀一些要求⾼高效且⾼高功率密度的设计，⽐比如光伏逆变器，就
⾮非常有意义。研发⼈人员采⽤用此类的功率模块，可以有效的提升开关频率，降低
光伏逆变器的体积，同时提升效率。（⽂文|吴⿍鼎 Vincotech中国区FAE）
